DE102010062903A1

DE102010062903A1 - Hochdruckentladungslampe mit Zündvorrichtung und zugeordnetes Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102010062903A1
Application number: DE102010062903A
Authority: DE
Inventors: Ludger Wilken; Andreas Hohlfeld; Helmut Weske; Markus Demmert; Ingmar Wieler
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Ledvance GmbH
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-06-14
Also published as: CN102664136B; JP2012129207A; US8531106B2; US20120146496A1; CN102664136A; JP6066553B2

Abstract

Bei einer Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß wird eine sichere Verbindung zwischen einer Hybridantenne als Zündhilfe und einer Durchführung des Entladungsgefäßes dadurch geschaffen, dass ein Mittel zwischen Durchführung und Verlängerung den ohmschen Widerstand zwischen Durchführung und Hybridantenne vorzugsweise auf höchstens 100 Ω begrenzt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe mit Zündvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Natrium-Hochdruckentladungslampen, Metallhalogenidlampen oder auch Hg-haltige oder Hg-freie Hochdruckentladungslampen. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lampe.
Stand der Technik
Für Natriumdampf-Hochdrucklampen ist bekannt, dass durch einen Cermet-Zündstrich, der sich auf der Oberfläche der PCA Keramik befindet und der mit einer Elektrode verbunden wird, und auch als Hybridantenne bezeichnet wird (1), die Zündspannung gegenüber den bekannten Systemen gesenkt und bei gleicher Zündspannung durch die Erhöhung des Xenon Druckes die Lichtausbeute erhöht werden kann, siehe dazu WO 2010/004472 .
In WO 2010/004472 wird zwischen einer aktiven und einer passiven Hybridantenne unterschieden. Die passive Hybridantenne basiert im Wesentlichen auf einer kapazitiven Kopplung einer Elektrode mit der Hybridantenne. Um eine optimale Wirkung zu erzielen, soll die Impedanz zwischen Hybridantenne und Elektrode kleiner als 10 kΩ sein. Wird ein Zündgerät mit einer Arbeitsfrequenz von 300 kHz eingesetzt, dann ist zur Realisierung dieser Bedingung eine Koppelkapazität von etwa 55 pF erforderlich. Diese Koppelkapazität kann erreicht werden, wenn bei der Natriumdampf-Hochdrucklampe mit einem Durchführungsdurchmesser von 3 mm und einem Abstand zwischen Durchführung und Hybridantenne von 50 μm die Hybridantenne in Form eines Zylinders mit einer Höhe von mehr als 4 mm ausgebildet ist, was in der Praxis nicht realisierbar ist.
Aus praktischen Gründen ist daher eine aktive Antenne von Vorteil, bei welcher die Hybridantenne direkt oder über eine Verbindung mit einem gewissen ohmschen Widerstand mit der Elektrode verbunden ist. In WO 2010/004472 wird vorgeschlagen, eine elektrisch leitende Verbindung oder eine Verbindung mit einem gewissen Übergangswiderstand, der 10 kΩ nicht überschreiten sollte, vorzugsweise aber etwa bei 10 bis 200 Ω liegt, zu realisieren. Hierzu ist es möglich, eine elektrisch leitfähige Schicht mit bekannten Verfahren auf das Glaslot abzuscheiden, so dass die Hybridantenne mit der Durchführung einer Elektrode elektrisch verbunden wird. Nachteilig ist, dass die abscheidbaren Metalle mit einem ausreichend hohen Schmelzpunkt und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich wie das Glaslot nicht mit den vorhandenen Herstelltechniken für Hochdruckentladungslampen kompatibel sind und daher die Integration neuer Produktionsanlagen in die vorhandenen Produktionsprozesse verlangt.
In WO 2010/004472 wird auch vorgeschlagen, ein leitfähiges Glaslot zu verwenden. Dieses könnte durch die Zugabe eines Metalls, z. B. Wolfram, Molybdän, Niob zu dem bekannten Glaslotpulver hergestellt werden. Dieses neue Glaslot muss einen ähnlichen thermische Ausdehnungskoeffizienten haben wie das bekannte isolierende Glaslot, es muss eine gute Verbindung zur PCA Keramik und der Durchführung, z. B. aus Niob herstellen und es muss bei den anliegenden hohen Betriebstemperaturen von etwa 730°C eine ausreichende große Resistenz gegenüber einer Natriumdiffusion haben. Nachteilig ist, dass die Entwicklung und die Testung eines solchen leitfähigen Glaslotes sehr aufwendig ist.
Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckentladungslampe mit Zündvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der die Zündvorrichtung mit der elektrischen Durchführung zuverlässig und niederohmig verbunden ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei der die Zündspannung der Lampe gesenkt und/oder die Lichtausbeute erhöht ist.
Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lampe anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Metallhalogenid-Hochdrucklampe oder Natriumdampf-Hochdrucklampe mit einem Entladungsgefäß aus einer polykristallinen Aluminiumoxid-Keramik (PCA). Das Entladungsgefäß beinhaltet beispielsweise eine Metallhalogenidfüllung, Amalgamfüllung, Natriumfüllung, ein Startgas aus Xenon, Argon. Es sind zwei Elektroden in die PCA Keramik eingeschmolzen. Außerdem ist eine Zündhilfe aus einem Cermet in Form eines Striches mit zwei Ringen oder Flächen am Ende des Zündstriches und einer Verlängerung des Zündstriches zu einer Elektrode hin außen auf dem Entladungsgefäß angebracht. Schließlich ist eine direkte elektrische Verbindung dieses Zündstriches mit der Elektrode vorgesehen. Ziel ist, ein technisches Verfahren für eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen der Hybridantenne und der Durchführung anzugeben, womit die Zündspannung der Lampe gesenkt werden kann, oder andere charakteristische Größen, wie z. B. die Lichtausbeute durch Erhöhung des Xenon Druckes, erhöht werden kann.
Es wird ein technisches Verfahren vorgeschlagen, mit dem die Hybridantenne mit der elektrischen Durchführung zuverlässig verbunden werden kann, unter der Vorraussetzung, dass die vorhandenen Produktionsprozesse und Produktionsanlagen möglichst wenig modifiziert werden müssen. Ziel ist es, bei Hochdruckentladungslampen die Zündspannung zu senken oder durch weitergehende Maßnahmen andere charakteristische Lampeneigenschaften, z. B. die Lichtausbeute bei Natriumdampf-Hochdrucklampen durch eine Xenondruckerhöhung, zu verbessern.
Das Entladungsgefäß ist aus Keramik gefertigt. Es kann einseitig oder zweiseitig verschlossen sein.
Die grundlegende erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin eine Technik und ein Herstellverfahren vorzuschlagen mit dem es möglich ist eine direkte Verbindung zwischen der Hybrid-Antenne und einer Durchführung zu realisieren.
Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind:

1. Hochdruckentladungslampe mit Zündhilfe, mit einem Entladungsgefäß aus Keramik, mit zwei Elektroden, an die Durchführungen nach außen hin angesetzt sind, wobei die Durchführungen in das Ende des Entladungsgefäßes mittels Glaslot eingeschmolzen sind, mit einer Zündhilfe, die als Hybridantenne ausgebildet ist, die zumindest zwei Ringe um das Entladungsgefäß und einen diese verbindenden Verbindungsstrich aufweist, wobei auf einer Seite ein Verlängerungsteil der Zündhilfe bis hin zu einer Durchführung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zwischen Durchführung und Verlängerungsteil den ohmschen Widerstand zwischen Durchführung und Verlängerungsteil auf höchstens 10 kΩ begrenzt, insbesondere auf höchstens 100 Ω.
2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlängerungsteil in einem Endstück, bevorzugt ausgeführt als ein Ring, Kreisring oder Abschnitt, auch Teilkreis genannt, davon endet, der von der Durchführung beabstandet ist und bevorzugt die Durchführung zumindest teilweise umgibt. Insbesondere ist der Abstand höchstens zweimal so groß, bevorzugt höchstens so groß, wie der Durchmesser der Durchführung.
3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung ein Rohr oder Stift ist, wobei als Mittel daran ein nach außen überstehender lokaler Vorsprung angebracht ist, wobei der Vorsprung in Richtung zur Elektrode hin insbesondere eine Schneidkante aufweist, die das Verlängerungsteil an seinem Endstück kontaktiert.
4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Entladungsgefäß und der Durchführung während des Einschmelzungsvorgang ein mechanischer Druck ausgeübt wird.
5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein leitfähiger Kanal im Bereich des Glaslots ist, der neben Glaslot Metall enthält und der sich zwischen Endstück und Durchführung strichartig erstreckt, wobei insbesondere ein Formierungsprozess angewendet worden ist, bei der die elektrisch isolierende oder hochohmige Verbindung zwischen der Durchführung und dem Verlängerungsteil im Kanal niederohmig gemacht wird.
6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung ein Rohr oder Stift ist, wobei als Mittel ein nach außen überstehender Vorsprung daran angebracht ist, der das Verlängerungsteil kontaktiert.
7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung als Stufe ausgebildet ist.
8. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung als Stufe mit einer Schneidkante in Richtung der Elektrode ausgebildet ist.
9. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung ein Rohr oder Stift ist, wobei als Mittel ein nach außen überstehender lokaler Vorsprung daran angebracht ist, wobei der Vorsprung in Richtung zur Elektrode hin ein oder mehrere Kontaktpunkte aufweist, die das Verlängerungsteil an seinem Endstück kontaktiert.
10. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktpunkte Enden einer Schabung sind.
11. Verfahren zur Herstellung einer Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formierungsprozess angewendet wird, wobei zur Formierung eine gepulste Spannung zwischen der Hybridantenne einerseits und der Durchführung andererseits angeschlossen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die anliegende Spannung maximal 6 kV, vorzugsweise mindestens 1 kV beträgt, dass die Pulsdauer zwischen 100 ns und 100 μs, vorzugsweise 0,5 bis 5 μs, und dass die in den Kanal eingebrachte Energie 0.1 mJ bis 10 mJ, vorzugsweise 0,5 bis 2 mJ, beträgt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenidlampe in Seitenansicht;
2 die Draufsicht auf das Entladungsgefäß einer Natriumdampf-Hochdrucklampe mit einer Hybridantenne, mit zwei Ringen und einer Verbindung zur Elektrode, die auf der linken Seite liegt.
3 die Draufsicht auf den Stopfen einer PCA Keramik, auf der die Hybridantenne von außen nach innen bis zur Bohrung verläuft.
4 den Querschnitt und Durchsicht durch den Entladungsgefäß einer Natriumdampf-Hochdrucklampe, bei welcher die Elektroden, die Durchführungen und im Hintergrund die Ringe der Hybridantenne in Höhe der Elektroden sichtbar ist.
5 den Querschnitt durch den oberen Bereich eines Entladungsgefäßes vor der Einschmelzung, bei welchem der Verlauf der Hybridantenne über die Oberfläche des PCA Rohres und des PCA Stopfens zu sehen ist, in welchem das Glaslot auf dem Stopfen aufliegt und die Durchführung in die Bohrung im Stopfen eingeführt ist.
6 den Querschnitt durch den oberen Bereich des Entladungsgefäßes nach dem Einschmelzen, bei welchem die Kapillare mit dem Glaslot ausgefüllt ist und die Durchführung auf den Stopfen und der Hybridantenne aufliegt.
7 den Querschnitt durch den oberen Bereich des Entladungsgefäßes nach dem Einschmelzen, bei welchem die Durchführung eine Schneidkante aufweißt, die das Glaslot verdrängt und damit eine zuverlässige Verbindung zur Hybridantenne realisiert wird.
8 die Draufsicht auf die Seite einer PCA Keramik, bei welcher die Hybridantenne durch die Ausformung eines Ringes einen zuverlässigen Kontakt auch bei Unebenheit der Schneidkante von der Durchführung sicherstellt.
9 die Draufsicht auf die Seite einer PCA Keramik, bei welchem die Hybridantenne anstelle eines Ringes zu einem Ringsegment ausgebildet ist, um die Oberfläche der Hybridantenne im Bereich der Einschmelzung zu minimieren.
10 die Draufsicht auf den Entladungsgefäß einer Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe mit einem kugelförmigen Entladungsgefäß und zylinderförmigen Kapillaren, bei welchem die Hybridantenne mehrere Ringe die um die Kapillaren verlaufen, und zwei Ringe, die in der Höhe des Entladungsgefäßes diesen umlaufen, aufweist und einen Strich der alle Ringe verbindet und der weiter geht bis zur Elektrode auf der linken Seite.
11 die Draufsicht auf die Kapillare der PCA Keramik mit der Hybridantenne, die über einen Steg in einen Kreis ausgebildet ist.
12 den Querschnitt des Entladungsgefäßes vor dem Einschmelzen mit der Kapillare der PCA Keramik, der Hybridantenne, dem Glaslotring, der hier normalerweise auf der Oberfläche der PCA Keramik aufliegt, der Durchführung mit der eingeschabten Nase, die auf der Hybridantenne aufliegt.
13 die Draufsicht auf die PCA Keramik mit der Durchführung, von Position A in 12, bei der sichtbar ist, wie die drei Nasen auf der Oberfläche der Hybridantenne aufliegen.
14 den Querschnitt durch den Entladungsgefäß im Bereich der Einschmelzung nach dem Einschmelzen.
15 ein Prinzipschaltbild für die Formierungseinrichtung, mit der gepulsten Spannungsquelle U_F dem Vorwiderstand R_F, die an die Durchführung und die Hybridantenne angeschlossen sind.
16 eine vereinfachte Schaltung, für die Formatierung bei welcher, ein mit der Spannungsquelle U_F aufgeladener Kondensator C_F nach Umschalten mit dem Schalter T_F über den Widerstand R_F entladen wird.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine typische Metallhalogenidlampe 1. Sie hat ein bauchiges keramisches Entladungsgefäß 2, das in einem Außenkolben 3 aus Quarzglas mittels eines Gestells 4 gehaltert ist. Der Außenkolben 3 sitzt in einem Sockel 5. Das Entladungsgefäß weist eine Hybridantenne 6 zur Verbesserung der Zündung auf, bestehend aus zwei keramischen Sinterringen 7 um die Enden des Entladungsgefäßes und einem Verbindungsstrich 8 zwischen den Sinterringen 7 sowie einem Verlängerungsstrich 9, der von einem Sinterring 7 zu einer Durchführung 10 geführt ist.
In 2 ist eine seitliche Sicht auf das zylindrische Entladungsgefäß 11 einer Natriumdampf-Hochdrucklampe, z. B. mit einer Leistung von 400 W, gezeigt. Es ist aus PCA-Keramik gefertigt und weist eine Hybridantenne 6 auf, wobei zwei Sinterringe 7 mit einem Verbindungsstrich 8 verbunden sind, der dann zu der linken Seite des Entladungsgefäßes bis zum Ende des Entladungsgefäßes mit einem Verlängerungsstrich 9 verlängert ist, dann über die Stirnwand 12 geführt ist und auf der Stirnwand 12 des aus PCA-Keramik bestehenden Entladungsgefäßes 10 bis hin zur Bohrung und zur Durchführung 10 weitergeführt ist, siehe dazu das Detail der 3.
In 4 ist ein Querschnitt durch das Entladungsgefäß 11 mit der Hybridantenne 6 gezeigt. Hierin ist angedeutet, dass die Ringe 7 um das zylinderförmige Entladungsgefäß 11 in Höhe der beiden Elektroden 15 liegen.
In 5 ist ein Querschnitt des keramischen Entladungsgefäßes 11 mit der aufgesinterten Hybridantenne 6 vor dem Einschmelzen gezeigt. Hierbei liegt ein Glaslotring 16, z. B. G61 von NGK, auf der Stirnwand 12, hier als einem Stopfen 19 zugehörig realisiert, des Entladungsgefäßes 11 auf. Ebenso ist die elektrische Nb-Durchführung 10, die eine daran angeschweißte Elektrode 15 trägt, in eine zentrale Bohrung 17 des Stopfens eingesetzt. Diese Durchführung hat einen Anschlag 20, der als Stufe ausgeführt ist.
Diese Baueinheit wird in einen Ofen eingeführt. Nach dem Evakuieren wird in den Ofen Argon mit einem Druck zwischen 100 hPa und 1000 hPa eingefüllt. Der Ofen wird so weit erwärmt, dass das Glaslot schmilzt, z. B. bei 1350–1400°C. Das entstehende flüssige Glaslot fließt in die zwischen der Durchführung und der Bohrung vorhandene Kapillare 17 in den Stopfen. Gleichzeitig senkt sich die Durchführung 10 aufgrund ihres Eigengewichts, das z. B. 0,5 bis 1 g beträgt, soweit ab bis der Anschlag 20 auf der Oberkante 12 des Stopfens aufliegt. Die Heizung wird dann ausgeschaltet, das flüssige Glaslot geht in einen festen glasartigen Zustand über.
Ein Querschnitt einer solchen fertiggestellten Einschmelzung ist in 6 schematisch gezeigt. Der Anschlag 20 berührt das Endstück 9 der Hybridantenne, insbesondere liegt er auf dem Endstück auf.
Der Ofen wird dann geöffnet. Nach dem Einfüllen der Füllung, z. B. Amalgam, erfolgt die zweite Einschmelzung, wobei in die Ofenkammer das Startgas, z. B. Xenon mit einem geeigneten Druck, eingefüllt wird. Nach der Fertigstellung der zweiten Einschmelzung wird der Entladungsgefäß getestet. Danach wird der Entladungsgefäß in eine Lampe eingebaut, z. B. eine Lampe mit einem tubusförmigen Außenkolben.
Beim Einschmelzen lagert sich das verflüssigte Glaslot aufgrund seiner Oberflächenspannung in der Kapillare zwischen der Durchführung und der Außenwand des Stopfens und dabei insbesondere auch gerne zwischen der Durchführung und der Oberfläche der Hybridantenne an. Nach dem Abkühlen verbleibt das Glaslot an dieser Stelle, wobei sich an der dünnsten Stelle immer noch Schichtdicken von 10 μm bis 100 μm nachweisen lassen. Diese Schicht aus isolierendem Glaslot hat einen großen ohmschen Widerstand, er ist normalerweise größer als 10 kΩ. Da auch die kapazitive Kopplung aufgrund der kleinen Oberflächen deutlich kleiner als z. B. 55 pF ist, wäre eine derartige Hybridantenne wirkungslos. Die Zündspannung der Lampe wird dann nicht verringert.
Davon ausgehend wurden verschiedene Techniken und Maßnahmen entwickelt, um bevorzugt eine sichere Verbindung mit einem sehr kleinen ohmschen Widerstand, z. B. kleiner als 100 Ω zu realisieren, was im Folgenden als gute Verbindung bezeichnet wird.
Eine grundsätzliche Ausführungsform, um eine elektrisch gut leitende Verbindung zwischen der Durchführung und der Hybridantenne herzustellen, besteht zunächst einmal darin, eine glatte Stufe an der Durchführung mit gutem Kontakt auszubilden.
Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, bei der Durchführung 10 anstelle der glatten Stufe eine Stufe mit Schneide 21 auszubilden (siehe 7). Dies kann durch eine Änderung der Stempel für das Fließpressverfahren erreicht werden. Bei einem Außendurchmesser der Durchführung 10 von beispielsweise 3,7 mm und einem Durchmesser von 3,0 mm im Bereich der Einschmelzung kann die Schneidkante 21 eine Höhe von 0,2 mm bis 1 mm, vorzugsweise 0,5 mm haben. Beim Einschmelzen setzt die Schneidkante 21 auf die Hybridantenne 6, genauer auf den Verlängerungsstrich 9, auf und das flüssige Glaslot 16 wird von der Schneidkante 21 zum größten Teil verdrängt. Damit ist die zwischen der Schneidkante und der Hybridantenne verbleibende Menge Glaslot deutlich verkleinert, was bereits zu einer elektrischen Verbindung mit einem ausreichend kleinen ohmschen Widerstand von typisch 50 Ω führt.
In der Regel besitzt die bei der Durchführung 10, z. B. aus Niob, ausgebildete Schneidkante 21 keine Ebenheit, die kleiner ist als die Höhe bzw. Dicke der Hybridantenne, z. B. 25 μm. Um einen zuverlässigen Kontakt mit der Hybridantenne 6 zu erhalten, wird daher die Kontaktfläche an der Hybridantenne durch die Ausbildung eines Ringes 25 als Endstück auf den Stopfen der PCA Keramik vergrößert (8). Hierbei soll der mittlere Durchmesser dieses Ringes 25 in etwa dem Durchmesser, auf dem die Schneidkante 21 verläuft, entsprechen, z. B. 3,7 mm. Zumindest soll ein Kontakt zwischen beiden möglich sein. Der Innendurchmesser des Ringes 25 ergibt sich aus der Toleranz innerhalb der Bohrung des Stopfens und der Schneidkante 21, z. B. zu 3,5 mm, und der Außendurchmesser analog, z. B. zu 3,9 mm.
Die Oberfläche und auch die Zusammensetzung der Hybridantenne 6 als Cermet, z. B. mit 90 Gew.-% Wolfram und 10 Gew.-% Aluminiumoxid, ist deutlich unterschiedlich zu der Oberfläche und der Struktur des Entladungsgefäßes 11 selbst. Daher ist auch die zwischen dem Glaslot 16 und der Hybridantenne 6 entstehende Zwischenschicht eine andere als zwischen dem Entladungsgefäß und dem Glaslot mit der Folge, dass das thermische Verhalten und die Dichtheit dieses Systems ebenfalls unterschiedlich sind. Um den Einfluss derartiger Störungen möglichst klein zu halten sollte die Fläche des Verlängerungsstrichs 9 im Bereich des Einschmelzbereiches ebenfalls möglichst klein sein. Das kann in der vorliegenden Konstruktion dadurch erreicht werden, dass anstelle des Vollkreises, nämlich Ring 25, nur ein Teilkreis 26, insbesondere ein Teilkreisabschnitt (9), mit einem Winkel +/– φ_A, z. B. +/–45°, zur Achse des zuführenden Verlängerungsstrichs 9 aufgetragen ist. Mit diesem Aufbau kann bereits eine ausreichende elektrische Verbindung zwischen der Hybridantenne 6 und der metallischen Durchführung 10 erreicht werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die neue Verbindungstechnik bei einer Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe 30 mit einem Entladungsgefäß 31 aus Keramik angewendet. In 10 ist ein Entladungsgefäß 31, bestehend aus einer PCA-Keramik, mit einem kugelförmigen Entladungsraum und zylinderförmigen Einschmelzbereichen, den sog. Kapillaren 32a und 32b, gezeigt, in die zwei Elektrodensysteme, nicht dargestellt, mit Durchführungen 10 eingeschmolzen sind. Die Hybridantenne 6 ist hier wie folgt aufgebaut: Zur Erzeugung eines Plasmas im Kapillarbereich sind mehrere die Kapillare umgebende Ringe 7 um die erste Kapillare 32a angeordnet. Außen um die zweite Kapillare 32b ist nur ein Ring 7 angeordnet. Im Bereich des bauchigen Entladungsgefäßes sind weiterhin zwei dem Entladungsgefäß zugeordnete Ringe 77 in Höhe der Elektroden angeordnet. Alle Cermet-Ringe 7, 77 sind durch einen Verbindungsstrich 8 aus Cermet miteinander verbunden. Dieser verläuft bis zum äußeren Ende der zweiten Kapillare 32b und erstreckt sich weiter über die Stirnseite der Kapillare. Dort endet er in einem Ring 25 als Endstück, was in 11, der Draufsicht auf die PCA Frontseite, gezeigt ist. Der Ring kontaktiert die Durchführung 10.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Tiefe, bis zu der die Durchführung 10 mitsamt der Elektrode in die Kapillare 32a oder 32b einsinkt, durch mehrere nach außen vorstehende Nasen 35, z. B. drei, festgelegt, die beispielsweise in die Durchführung mittels Messer eingeschabt werden können (12). Diese Nasen 35 sind um den Umfang der Durchführung 10 regelmäßig, z. B. im Winkel von 120°, angeordnet. Da die Ausrichtung der Nasen während des Produktionsprozesses nicht festgelegt wird, ist es für eine zuverlässige Kontaktierung mit der Hybridantenne 6 erforderlich, dass das Endstück als Ring 25 wie dargestellt oder zumindest als ein Teilkreis-Abschnitt 26 ähnlich wie in 9 mit einem ausreichend großen Winkel +/–φ_A, z. B. +/–65° ausgebildet ist.
Während des Einschmelzvorgangs wird die Durchführung 10 mit der Elektrode in die Kapillare 32 des Entladungsgefäßes eingeführt, und zwar so, dass die Nasen 35, bzw. zumindest eine der Nasen 35, auf den Ring 25, oder auch Teilkreis-Abschnitt 26, aufsetzen (13). Anschließend wird der Glaslotring 16 aufgesetzt und erwärmt.
Diese Einheit wird eingeschmolzen (14). In diesem Beispiel sind die Durchmesser der Durchführung 10, z. B. 0,73 mm, und der Innendurchmesser der Kapillare 32, z. B. 0,8 mm, sehr klein. In aller Regel ist es für die einfache mechanische Kontaktierung ausreichend, wenn die Nasen 35 eine Höhe, bezogen auf die ungestörte Oberfläche der Durchführung, von z. B. 0,05 mm bis 0,08 mm haben, was einem Überstand auf die Stirnfläche 12 von 0,015 mm bis 0,045 mm entspricht.
Für das Aufbringen des Sinterstrichs der Hybridantenne wird eine Art Tinte verwendet. Da diese Tinte für die Herstellung der Hybridantenne nicht in das Innere der Kapillare gelangen soll, ist aus technischen Gründen ein Mindestabstand, von z. B. 0,020 mm zwischen dem zumindest abschnittsweise ringförmig gebogenen Endstück der Hybridantenne und der Bohrung in der Kapillare 32 erforderlich. Da die Hybridantenne aus technischen Gründen keinen ganz exakten Ring ausbilden kann, ist es vorteilhaft, zusätzlich eine Toleranz von, z. B. 0,020 mm, einzubeziehen. Damit die Nasen 35 eine zuverlässige elektrische Kontaktierung zu dem gesinterten Ring 25 ausbilden können, sollte vorteilhaft der Überstand der Nasen 35 um den Mindestabstand der Hybridantenne von der Kapillare vergrößert werden, womit für das genannte Ausführungsbeispiel sich ein Übermaß von 0,090 mm bis 0,120 mm ergibt. Mit der typischen Breite der strichartigen Hybridantenne von 0,30 mm +/–0,05 mm ist damit eine zuverlässiger Kontaktierung der Nase mit dem Endstück möglich. In 13 ist die Draufsicht auf die Kapillare mit eingesetzter Durchführung und den drei Nasen nicht maßstäblich zu verstehen.
Der mechanische Aufbau der Durchführung und der Hybridantenne, insbesondere deren ringabschnittartiges Ende, sind die Vorraussetzung für eine gute elektrische Verbindung zwischen der Hybridantenne und der Durchführung. Dennoch kann sich während des Einschmelzprozesses aufgrund der großen Oberflächenspannungen des Glaslotes die Durchführung etwas anheben, wodurch sich zwischen der Durchführung und dem Endstück der Hybridantenne eine isolierende Glaslotschicht bilden kann. Um dies zu verhindern wird empfohlen, das normalerweise frei in die Kapillare eingesetzte Elektrodensystem, also Durchführung incl. der Elektrode, das eine Masse von typisch 0,8 g hat, durch ein Gewicht so zu beschweren, dass die Durchführung fest auf das Endstück der Hybridantenne gedrückt wird. Alternativ sollte die Durchführung ausreichend fest angedrückt gehalten werden. Hierzu kann ein Gewicht mit einer Masse im Bereich von 0,5 g bis 20 g, vorzugsweise 3 bis 7 g, verwendet werden. Ebenso ist es möglich, mit einer Feder die PCA-Keramik und die Durchführung gegen einen Anschlag zu drücken. Auch andere technische Maßnahmen sind geeignet, um die gute Kontaktierung sicherzustellen.
Eine weitere Methode zur Herstellung einer guten elektrischen Verbindung zwischen Durchführung 10 und Hybridantenne 6 mit einem definierten Widerstand, z. B. kleiner als 100 Ω, besteht darin, eine Widerstandsschweißung zwischen ihnen durchzuführen. Hierzu wird zur Formierung eine gepulste Spannungsquelle U_F mit einem Vorwiderstand R_F an der Hybridantenne 6 und der Durchführung 10 angeschlossen (15). Die Durchbruchfeldstärke des verwendeten Glaslotes liegt zwischen 200 kV/cm und 500 kV/cm. Mit zu erwartenden Glaslotschichtdicken zwischen 10 μm und 200 μm liegt damit die erforderliche Durchbruchspannung zwischen 0.3 kV und 6 kV. Zur Verhinderung eines Durchschlages durch die Luft entlang der Oberfläche des Glaslotes wird hier eine Spitzenspannung von 2 kV gewählt, womit dann etwa Glaslotschichtdicken von 50 μm zum Durchschlag gebracht werden können.
Während des Durchschlages entsteht ein elektrisch leitender Kanal, durch den ein elektrischer Strom fließt. Bei der Zugabe einer ausreichenden elektrischen Energie erwärmt sich das Glaslot innerhalb des Kanals, z. B. mit einem Durchmesser von 30 μm und einer Länge von 50 μm auf Temperaturen von z. B. 4000°C auf, womit auch die Oberfläche der anliegenden Durchführung 10, z. B. Niob mit einem Schmelzpunkt von 2468°C und die Oberfläche der anliegenden Hybridantenne, z. B. mit Wolfram als Bestandteil mit einem Schmelzpunkt von 3410°C, verflüssigt werden. Die geschmolzenen Metalle, hier W und Nb, vermischen sich daraufhin mit dem Glaslot im Bereich des Kanals. Nach Beendigung des Stromflusses kühlt dieser Kanal sehr schnell ab, womit wieder ein feste Masse entsteht, die aber aufgrund der metallischen Zusätze leitfähig geworden ist. Das in dem Kanal 40 durch die Formierung entstandene leitfähige Glaslot ist so beschaffen, dass sein Widerstand ausreichend klein ist, z. B. kleiner als 1000 Ω, vorzugweise aber kleiner als 100 Ω. Dabei darf das leitfähige Glaslot im Kanal 40 aufgrund der veränderten Eigenschaften gegenüber dem isolierenden Glaslot keine thermischen Spannungen verursachen, die über die Lebensdauer der Lampe zu Sprüngen im isolierenden oder leitfähigen Glaslot oder dazwischen führen würden. Daher sollte die Anreicherung des Glaslotes mit den Metallen im Bereich des Kanals 40 möglichst klein sein, was durch eine relativ große Breite des Kanals erreicht werden kann. Beide Größen können durch die Energie, die während des Durchschlages eingekoppelt wird, und durch die Einwirkzeit der Energie festgelegt werden. Die Energie sollte daher im Bereich von 0.1 mJ bis 10 mJ, vorzugsweise bei 0,5 bis 2 mJ, liegen. Die Einwirkzeit sollte zwischen 100 ns und 100 μs, und bevorzugt bei 0,5 bis 5 μs, liegen.
In 16 ist eine einfache Schaltung, mit der dieses Widerstandsschweißen realisiert werden kann, gezeigt. Hierbei wird zunächst der Kondensator C_F mit der DC Spannung U_F aufgeladen. Anschließend wird der Schalter T_F umgelegt, womit zwischen der Hybridantenne 6 und der Durchführung 10 eine Spannung anliegt, die zum Durchbruch führt, wobei der Vorwiderstand R_F den Strom begrenzt und über die Konstante R_F·C_F die Entladungszeit des Kondensators und damit die Einwirkzeit und damit die Breite des Kanals festgelegt wird. Die Kapazität des Kondensators wiederum ist proportional der in den Durchbruch eingebrachten Energie. Da in der Praxis am Umschalter T_F und an den Kontakten zu der Hybridantenne und der Durchführung Übergangswiderstände vorhanden sind, müssen die konkreten Werte für den Kondensator und den Vorwiderstand empirisch ermittelt werden. Die Kapazität liegt im Bereich von 0.5 nF bis 50 nF und der Widerstand zwischen 10 Ω und 1 kΩ.
Am Schluss der Entladungsgefäßproduktion findet eine Entladungsgefäßprüfung statt, unter anderem wird eine Zündprüfung gemacht. Bei der Hochdruckentladungslampe mit der Hybridantenne wird zusätzlich zu den anderen Prüfungen der ohmsche Widerstand mit einem Widerstandsmessgerät gemessen. Sollte dieser oberhalb eines Grenzwertes liegen, z. B. 100 Ω, wird bei diesem Entladungsgefäß ein Formierungsprozess durchgeführt. Anschließend wird wieder der Widerstand gemessen. Falls auch hier der Widerstand oberhalb des Grenzwertes liegt, wird das Entladungsgefäß aussortiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/004472 [0002, 0003, 0004, 0005]

Claims

Hochdruckentladungslampe mit Zündhilfe, mit einem Entladungsgefäß aus Keramik, mit zwei Elektroden, an die Durchführungen nach außen hin angesetzt sind, wobei die Durchführungen in das Ende des Entladungsgefäßes mittels Glaslot eingeschmolzen sind, mit einer Zündhilfe, die als Hybridantenne ausgebildet ist, die zumindest zwei Ringe um das Entladungsgefäß und einen diese verbindenden Verbindungsstrich aufweist, wobei auf einer Seite ein Verlängerungsteil der Zündhilfe bis hin zu einer Durchführung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zwischen Durchführung und Verlängerungsteil den ohmschen Widerstand zwischen Durchführung und Verlängerungsteil auf höchstens 10 kΩ begrenzt, insbesondere auf höchstens 100 Ω.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlängerungsteil in einem Endstück, bevorzugt ausgeführt als ein Ring, Kreisring oder Abschnitt, auch Teilkreis genannt, davon endet, der von der Durchführung beabstandet ist und bevorzugt die Durchführung zumindest teilweise umgibt. Insbesondere ist der Abstand höchstens zweimal so groß, bevorzugt höchstens so groß, wie der Durchmesser der Durchführung.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung ein Rohr oder Stift ist, wobei als Mittel daran ein nach außen überstehender lokaler Vorsprung angebracht ist, wobei der Vorsprung in Richtung zur Elektrode hin insbesondere eine Schneidkante aufweist, die das Verlängerungsteil an seinem Endstück kontaktiert.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Entladungsgefäß und der Durchführung während des Einschmelzungsvorgang ein mechanischer Druck ausgeübt wird.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein leitfähiger Kanal im Bereich des Glaslots ist, der neben Glaslot Metall enthält und der sich zwischen Endstück und Durchführung strichartig erstreckt, wobei insbesondere ein Formierungsprozess angewendet worden ist, bei der die elektrisch isolierende oder hochohmige Verbindung zwischen der Durchführung und dem Verlängerungsteil im Kanal niederohmig gemacht wird.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung ein Rohr oder Stift ist, wobei als Mittel ein nach außen überstehender Vorsprung daran angebracht ist, der das Verlängerungsteil kontaktiert.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung als Stufe ausgebildet ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung als Stufe mit einer Schneidkante in Richtung der Elektrode ausgebildet ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung ein Rohr oder Stift ist, wobei als Mittel ein nach außen überstehender lokaler Vorsprung daran angebracht ist, wobei der Vorsprung in Richtung zur Elektrode hin ein oder mehrere Kontaktpunkte aufweist, die das Verlängerungsteil an seinem Endstück kontaktiert.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktpunkte Enden einer Schabung sind.
Verfahren zur Herstellung einer Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formierungsprozess angewendet wird, wobei zur Formierung eine gepulste Spannung zwischen der Hybridantenne einerseits und der Durchführung andererseits angeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die anliegende Spannung maximal 6 kV, vorzugsweise mindestens 1 kV beträgt, dass die Pulsdauer zwischen 100 ns und 100 μs, vorzugsweise 0,5 bis 5 μs, und dass die in den Kanal eingebrachte Energie 0.1 mJ bis 10 mJ, vorzugsweise 0,5 bis 2 mJ, beträgt.